原子物理6在磁场中的原子

《原子物理6在磁场中的原子》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第六章在磁场中的原子§6.1原子的磁矩§6.2外磁场对原子的作用§6.3史特恩－盖拉赫实验的结果§6.4顺磁共振§6.5塞曼效应§6.6抗磁性、顺磁性和铁磁性§6.1原子的磁矩一、单电子原子的总磁矩轨道磁矩：自旋磁矩：磁矩和角动量的比值为：其中和分别是轨道和自旋g因子。引入g因子之后，任意角动量对应的磁矩可以统一表示为：量子数j取定后，mj=j,j-1,…,-j，共2j+1个值。取j=l,s就可以分别得到轨道和自旋磁矩。单电子原子的总磁矩，以及其分量的表达式:µjµlµµspspjpl由于，所以不可能共线。在外磁场不太强时，pl、p

2、s分别绕pj旋进，所以相应的合成的绕-pj方向旋进。我们可以将沿pj方向和垂直于pj方向分解，在的旋进过程中，垂直于pj方向的分量绕着pj转动，对外总效果为0，对外发生效果的是沿pj方向的分量，它的方向保持不变，就是原子的总磁矩。计算：又其中称为朗德g因子。当s=0,时,当l=0,时,是最后一个电子的,是(n-1)个电子集体的。二、多电子原子的磁矩（1）LS耦合（2）Jj耦合例如：氢原子处于基态时，所以其基态的状态为可以求得而所以从而§6.2外磁场对原子的作用在外磁场B中，原子磁矩受磁场力矩的作用，绕B连续进动的现象。一、拉莫尔旋进

3、dBdPPJµJPJ绕磁场旋进示意图dBdPPJµJ旋进频率：其中旋进角速度。由上图可得由得但所以γ称为旋磁比。二、原子受磁场作用的附加能量磁量子数：共2J+1个洛仑兹单位：光谱项差：3、分裂后的两相邻磁能级的间隔都等于gμBB，即由同一能级分裂出来的诸磁能级的间隔都相等，但从不同的能级分裂出来的磁能级的间隔彼此不一定相等，因为g因子不同。1、原子在磁场中所获得的附加能量与B成正比；结论:2、因为M取(2J+1)个可能值，因此无磁场时的原子的一个能级，在磁场中分为(2J+1)个子能级。几种双重态的g因子和Mg值gMg2±

4、12/3±1/34/3±2/3,±6/34/5±2/5,±6/56/5±3/5,±9/5,±15/5无磁场有磁场MMg3/26/31/22/3-1/2-2/3-3/2-6/3能级在磁场中的分裂情况所以在弱磁场中原子的能级可表为：需要指出的是：只有外加磁场B较弱时上述讨论才正确。因为只有在这一条件下，原子内的旋轨相互作用才不至于被磁场所破坏，S和L才能合成总磁矩，且绕PJ旋转很快，以至于对外加磁场而言，有效磁矩仅为在PJ方向的投影J。在弱磁场B中原子所获得的附加能量才为。如果磁场B加强到一定程度，超过原子内部旋轨作用，使P

5、J在磁场中旋转的频率远小于PL和PS分别绕磁场旋转的频率，以至于在磁场中可以认为PL和PS的耦合被破坏，磁场的作用就使得PL和PS分别在磁场中很快旋转。这时原子在磁场中的附加能量主要由L和S在磁场中的能量来决定，即附加能量由和之和来确定。由于旋轨作用被破坏，在强磁场中原子能级应表为：即在强磁场中的附加能量的值由ML和MS的组合决定，L一定时ML有（2L+1）个可能值，MS有（2S+1）个可能值，组合结果使附加能量有若干个可能值，因此磁场中每一个能级将分裂为若干个子能级，在这些子能级间的跃迁要符合选择定则：§6.3史特恩-盖拉赫实

6、验的结果1、非均匀磁场中，原子束会发生分裂，分裂的条数为(2J+1)条。2、原子束偏离原方向的横向位移为无磁场有磁场NS史特恩-盖拉赫实验结果原子基态gMg相片图样Cd,HgSn,PbH,Li,Na,KCu,Ag,AuTlO——22/33/23/2—000固体在恒定磁场和高频交变电磁场的共同作用下，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象。若产生磁共振的磁矩是顺磁体中的原子（或离子）磁矩，则称为顺磁共振；若磁矩是原子核的自旋磁矩，则称为核磁共振。若磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩，则称为铁磁共振。§6.4顺磁共振和核磁共振一、磁共振

7、电子顺磁共振（electronparamagnaneticresonance，EPR）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分（99％以上）的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”（ESR）。二、顺磁共振顺磁性原子(即具有磁矩的原子)置于磁场中，其能级分裂为(2J+1)层，如果在原子所在的稳定磁场区域又叠加一个与稳定磁场相垂直的交变磁场，并且调整交变磁场的频率使hv满足则原子将

8、在两临近的磁能级之间发生跃迁，可通过仪器探测出来。电子顺磁共振首先是由前苏联物理学家E·K·扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极距及分子结构